DE102011087978A1

DE102011087978A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung des Brechzahlgradienten eines Materials

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Publication number: DE102011087978A1
Application number: DE102011087978A
Authority: DE
Inventors: Jens Bliedtner; Stephan Rinck; Andrea Barz; Michael Brückner
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-07-05
Also published as: WO2012076640A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung des Brechzahlgradienten einer Probe (1) eines Materials an dessen Oberfläche (2) unter Zugrundelegung des Reflexionsverhaltens dieses Materials. Dabei wird ein Bündel von Lichtstrahlen (7) einer Lichtquelle (8) fokussiert und durch ein optisch transparentes Medium, welches eine höhere Brechzahl als das Material der Probe aufweist, hindurch auf eine Position (10) an der Oberfläche (2) der Probe (1) fokussiert. Das optisch transparente Medium ist zwischen Probe (1) und Lichtquelle (8) angeordnet. Der Einfallswinkelbereich der fokussierten Lichtstrahlen (7) enthält den Grenzwinkel der Totalreflexion. Totalreflektierte Lichtstrahlen (7) werden in einem Ausfallswinkelbereich nach Durchtritt durch das optisch transparente Medium ortsaufgelöst als Intensitätsprofil mit einer Detektierungseinrichtung detektiert. Anhand des Intensitätsprofils wird der Brechungsindex des Materials an der Position der Oberfläche (2) ermittelt. Anschließend wird die Position, auf die das Bündel von Lichtstrahlen fokussiert wird, variiert. Anhand der für die einzelnen Positionen bestimmten Brechungsindizes wird dann mittels einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung ein Brechzahlgradient bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Brechzahlgradienten eines Materials unter Zugrundelegung des Reflexionsverhaltens dieses Materials. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anordnung zur Ausübung dieses Verfahrens.
In der modernen Produktion spielen optische Systeme oft eine entscheidende Rolle. Dies reicht von der Prozessüberwachung und -regelung bis hin zur Produktkontrolle und Qualitätssicherung. Die wachsenden Anforderungen der Industrie, welche mit herkömmlichen optischen Bauelementen meist nicht zu realisieren sind, haben in den letzten Jahren zu einer verstärkten Entwicklung von Optiken mit gezielt beeinflussbaren Brechungseigenschaften geführt. Solche gradientenoptischen Bauelemente, kurz als GRIN(Gradientenindex)-Bauelemente bezeichnet, sind Bauelemente aus inhomogenen Medien mit einer sich als Funktion des Ortes kontinuierlich, d. h. stetig, oder auch sprunghaft ändernden Brechzahl n.
Für eine erfolgreiche Markteinführung und Produktion von optischen Bauelementen ist die Bestimmung und Kontrolle der Produktparameter, das heißt der Größe und Lage des Brechzahlprofils zwingend erforderlich, d. h. es wird eine Objektivierung der technischen Parameter durch geeignete Mess- und Prüftechnik/Qualitätssicherung benötigt.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt gestaltet sich die Erfassung von Brechungsindexprofilen in Gläsern jedoch sehr schwierig bzw. ist für große Gradienten nicht möglich. Mit handelsüblichen Geräten sind Gradientenverläufe aufgrund der verwendeten Mess- und/oder Auswerteverfahren und aufwendiger Probenpräparation entweder nicht detektierbar, wie beispielsweise mit einem Abbe-/Pulfrich-Refraktometer, welches nur für homogene Festkörper geeignet ist, oder die Messungen sind – wenn man beispielsweise interferometrische, auch interferenzmikroskopische Durchlicht-Verfahren verwendet – sehr arbeitsintensiv und teuer. Die überwiegende Mehrzahl der heutigen Verfahren nutzt die Interferenz von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Phasen zur Bestimmung der optischen Eigenschaften. Die Methode erlaubt die Erfassung der Brechzahl mit hoher Genauigkeit. Solche Verfahren sind beispielsweise in JP 2007 05 73 76 A und JP 2005 33 14 81 A beschrieben.
Bei Verwendung eines Schlierenmessgeräts wie das nach dem Töpfer-Verfahren im Durchlicht arbeitende SAG80 der Firma Carl Zeiss – sind die Ergebnisse nicht hinreichend genau. Bei diesem Verfahren wird über einen beleuchteten Spalt ein Spaltbild erzeugt. Weist eine Messprobe unterschiedliche Brechungsindizes auf, so wird auf Grund der Lichtablenkung ein weiteres verschobenes Spaltbild erzeugt. In Abhängigkeit vom Brechungsindex erfolgt die Ablenkung unter unterschiedlichen Winkeln. Durch sukzessives Ausblenden des abgelenkten Lichtes mittels einer Schneidblende kann der Gradient anhand der Schattenkontur verfolgt werden. Als sehr nachteilig erwiesen sich die aus der sich kontinuierlich ändernden Brechzahl resultierenden diffusen Schattenränder. Sie erschweren und subjektivieren die Festlegung einzelner Messpunkte und verursachen deutliche Fehler bei der Ermittlung der Ablenkwinkel. Die beschriebene Methode ist mit einem sehr hohen Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden und aufgrund der Messfehler nicht hinreichend genau. Sie kann daher nur als Behelfsmöglichkeit zur Bestimmung von Brechzahlgradienten dienen.
Jedoch sowohl die interferometrischen als auch das vorangehend beschriebene Töpler-Verfahren arbeiten nach dem Durchlichtprinzip, das heißt die Proben werden zur Messung durchstrahlt. Dies stellt sehr hohe Anforderungen an die Probenqualität. Die beiden gegenüberstehenden Messflächen müssen nicht nur in sich plan, sondern auch zueinander planparallel sein, da sonst neben den Brechzahländerungen auch geometrische Abweichungen (z. B. Dicken-, Winkelabweichungen) mit erfasst werden. Dies macht Probenpräparation und Messungen zeit- und kostenaufwendig. Für eine hinreichende Genauigkeit müssen diese Proben auf einen Ring (λ/2) und besser poliert werden. Je größer die räumliche Ausdehnung der Messobjekte ist, umso schwieriger wird es, diese erforderliche Planität zu erreichen.
Ein weiteres Problem ist, dass zur genauen Darstellung und Auswertung der Interferenzmuster der gesamte Messkörper durchstrahlt werden sollte. Bei größeren Objekten sind in der Regel nur Teilabschnitte abbild- und messbar.
Für Verfahren, welche zur Ermittlung der Brechzahlverteilung die Reflexion eines Lichtstrahls an der Vorder- und Rückseite des Messobjektes nutzen, gelten dieselben Anforderungen bzw. Einschränkungen.
Somit stellt die derzeit verfügbare Messtechnik eine Hemmschwelle für den Einsatz von innovativen optischen Bauelementen wie GRIN-Optikbauelementen dar.
Für eine zukünftige Produktion von GRIN-Elementen in mittleren bis großen Stückzahlen ist es dringend erforderlich, ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung von Brechungsindexprofilen in Gläsern zu entwickeln, welches Messungen mit hinreichender Genauigkeit und vertretbarem Aufwand erlaubt. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren sollte keine aufwendige Probenpräparation notwendig sein.
Geräte, die diesen Anforderungen zumindest teilweise genügen, sind derzeit ausschließlich für Glasfasern und Mikrooptiken auf dem Markt, sie sind jedoch für größere Bauelemente nicht nutzbar. So wird beispielsweise bei GRIN-Fasern und -Mikrooptiken der Brechzahlgradient häufig nach der sogenannten Refractive-Near-Field-Methode bestimmt, welche die ortsabhängige Änderung der Lichtbrechung ausnutzt. Verfahrensbedingt lassen sich nur mikrooptische, kleine Proben mit einem Messbereich von maximal 0,5 × 0,5 mm² analysieren. Für die Messungen sind zwei polierte Planflächen, die exakt einen Winkel von 90° einschließen, erforderlich. Dies bedingt ebenfalls eine zeitaufwendige Probenpräparation.
Hinsichtlich der Bestimmung von Homogenitätsverläufen in optischen Gläsern wurden in den letzten Jahren die interferometrischen Messverfahren weiterentwickelt, mit dem Ziel sehr kleine Homogenitätsschwankungen zu bestimmen. Die dabei ermittelte Wellenfrontabweichung kann in eine Brechzahlschwankung umgerechnet werden. Die gerätetechnischen Anforderungen dafür sind jedoch so erheblich, dass diese Messverfahren lediglich bei den großen glasherstellenden Firmen, wie bspw. Schott und Ohara, zum Einsatz kommen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein kostengünstiges Verfahren der vorgenannten Art zu schaffen, das diese Nachteile nicht mehr aufweist, sowie mindestens eine zur Ausübung dieses Verfahrens geeignete, mit wenig Aufwand zu realisierende Anordnung anzugeben, die insbesondere auch für die Analyse makrooptischer Proben geeignet sind.
Erfindungsgemäß sind bei einem Verfahren zur Bestimmung des Brechzahlgradienten einer Probe eines Materials folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Zunächst wird ein Bündel von Lichtstrahlen fokussiert und durch ein optisch transparentes Medium, welches eine höhere Brechzahl als das Material der Probe aufweist, hindurch auf eine Position an der Oberfläche der Probe fokussiert, der Ort, an dem das Lichtstrahlbündel auf die Probe trifft, liegt also im Fokus, so dass das Bündel im wesentlichen an einem einzigen Punkt zusammentrifft. Die fokussierten Lichtstrahlen des Bündels treffen unter verschiedenen Winkeln auf das Medium und die Probe, dieser Winkelbereich ist der Einfallswinkelbereich. Dabei muss darauf geachtet werden, dass der Einfallswinkelbereich der fokussierten Lichtstrahlen den Grenzwinkel der Totalreflexion enthält, so dass der Teil der Lichtstrahlen mit Einfallswinkeln größer als dem Grenzwinkel an der Position auf der Probe reflektiert wird, und der Teil der Lichtstrahlen mit Einfallswinkeln kleiner gleich dem Grenzwinkel an der Position auf der Probe in diese eintritt, d. h. nicht reflektiert wird.
Das an der Position auf der Oberfläche der Probe totalreflektierte Licht, also die reflektierten Lichtstrahlen, treten entsprechend der optischen Gesetze in einem Ausfallswinkelbereich wieder aus dem optisch transparenten Medium aus und werden nach Durchtritt durch dieses Medium ortsaufgelöst detektiert. Die Detektierung erfolgt dabei als Intensitätsprofil, d. h. in Bereichen, auf die die reflektierten Strahlen auf einen Detektor treffen, wird eine höhere Intensität registriert als in Bereichen, auf die keine Strahlen treffen, da sie Ausfallswinkeln kleiner als dem Grenzwinkel der Totalreflexion entsprechen. Idealerweise wird also ein Hell-Dunkel-Feld mit sprunghaftem Übergang detektiert. Der ortsauflösende Detektor muss also so angeordnet sein, dass er grundsätzlich beide Bereiche detektieren kann. Anhand des Intensitätsprofils wird dann der Brechungsindex an der Position der Oberfläche ermittelt: Dort, wo die Intensität sprunghaft auf Null abfällt, ist der Grenzwinkel der Totalreflexion zu lokalisieren. Wird ein CCD-Zeilendetektor verwendet, so lässt sich dieser Übergang einem Pixel zuordnen.
Die vorangehend beschriebenen Schritte werden dann für weitere Positionen auf der Oberfläche der Probe wiederholt, anschließend wird anhand der für die einzelnen Positionen bestimmten Brechungsindizes der Brechzahlgradient bestimmt. Selbstverständlich lässt sich das Verfahren auch bei homogenen Materialien anwenden. In diesem Fall wird die Brechzahl selbst bestimmt, der Brechzahlgradient ist Null, da sich die Brechzahl zwischen verschiedenen Positionen nicht ändert.
Bei den Materialien, deren Proben untersucht werden, handelt es sich oft um transparente Materialien, wie spezielle gradientenoptische Bauelemente. Da jedoch der lokale Brechungsindex über die Reflexion an der Probe bestimmt wird, sind dem Messverfahren ohne weiteres auch teiltransparente Materialien – wie beispielsweise Silizium-Wafer – oder auch nichttransparente Materialien zugänglich. So lässt sich beispielsweise auch die Brechzahl von dichroitischen Spiegeln oder anderen reflektierenden Elementen bestimmen. Dies kann insofern von Bedeutung sein, als manche Anwendungen beispielsweise das durch das reflektierende Element tretende Restlicht, was etwa 10% der gesamten Lichtmenge ausmachen kann, verwenden.
Vorzugsweise werden die Lichtstrahlen – von einer Strahlungsquelle ausgehend – durch ein hochbrechendes Prisma als optisch transparentes Medium hindurch so auf die Oberfläche gerichtet, dass das von der Oberfläche reflektierte Licht wieder durch das Prisma hindurch tritt und danach auf eine ortsauflösende Detektierungseinrichtung trifft. Das Prisma steht dabei zumindest an der Messposition in Kontakt mit der Oberfläche der Probe, so dass die Bedingung der Totalreflexion realisiert wird bzw. Prisma und Probe optisch gekoppelt sind. Hierzu können die Oberfläche der Probe und die entsprechende Seite des Prismas beispielsweise beide durch Polieren plan ausgestaltet sein, während der Messung stehen sie dann in Kontakt. Dies verhindert auch eine mögliche Überlagerung mit Reflexionen, die an Rauhigkeiten an der Oberfläche der Probe entstehen können. Zum Wechsel der Position sind dann zur Vermeidung von Ungenauigkeiten in der Positionierung durch Haft- und Gleitreibung die planen Flächen kurzzeitig voneinander entlang der Normalenrichtung der Planflächen zu trennen.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise ist zwischen der Prismenfläche, aus welcher die fokussierten Lichtstrahlen austreten und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche des Materials andererseits eine Immersionsflüssigkeit aufgebracht. Auf diese Weise können Prisma und Probe gegeneinander verschoben werden, ohne dass Reibungsprobleme entstehen, auf das Trennen entlang der Normalenrichtung kann verzichtet werden. Die Immersionsflüssigkeit hat dabei idealerweise einen zum Prisma identischen Brechungsindex, er kann aber auch kleiner als der des Prismas sein, muss jedoch größer als der Brechungsindex des Materials der Probe sein. Durch kontinuierliche Zufuhr von Immersionsflüssigkeit sorgt man zweckmäßig dafür, dass der Flüssigkeitsfilm bei konstanter Dicke, beispielsweise im Bereich von einigen 10 μm bis zu etwa 0,1 mm gehalten und ein Abreißen verhindert wird.
Anhand der Ermittlung des Brechungsindex an einer Vielzahl von Positionen an der Oberfläche kann neben dem Brechzahlgradienten auch ein Homogenitätsverlauf der Brechzahl für das Material bestimmt werden. Während der Variation der Positionen, an denen das Lichtstrahlbündel auf die Oberfläche gerichtet wird, sollte der Abstand zwischen der Prismenfläche, aus welcher das fokussierte Licht austritt und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche des Materials andererseits konstant gehalten werden.
Für das Lichtstrahlbündel lässt sich vorzugsweise das Licht einer superlumineszenten LED (SLED) verwenden, dabei beschränkt man sich zweckmäßig auf einen schmalbandigen Spektralbereich etwa um die Mitte des Spektrums am Faserausgang der SLED, welches die Form einer Gaußverteilung hat, d. h. insbesondere auf einen Bereich oberhalb der Halbwertsbreite. Auf diese Weise lässt sich das Auftreten von sogenannten Speckles auf dem Detektor, wie bei kohärenten Lichtquellen zu beobachten, vermeiden.
Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ist es außerdem vorteilhaft, als Detektor einen Zeilendetektor zu verwenden, auf den das aus dem optisch transparenten Medium austretenden Licht linienförmig fokussiert wird.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine – insbesondere zur Durchführung des vorangehend beschriebenen Verfahrens geeignete – Anordnung zur Bestimmung von Brechzahlgradienten einer Probe eines Materials, umfassend:

– eine Lichtquelle,
– ein optisch transparentes Medium, welches eine höhere Brechzahl als das Material der Probe aufweist und zwischen Lichtquelle und Probe angeordnet ist,
– eine optische Einrichtung zur Fokussierung des von der Lichtquelle ausgehenden Bündels von Lichtstrahlen durch das optisch transparente Medium hindurch auf eine Position an der Oberfläche der Probe, wobei ein Einfallswinkelbereich der fokussierten Lichtstrahlenden Grenzwinkel der Totalreflexion enthält,
– eine ortsauflösende Detektierungseinrichtung für die Detektierung des von dieser Position der Oberfläche in einem Ausfallswinkelbereich reflektierten Lichts als Intensitätsprofil,
– eine Einrichtung zur Variation der Position, auf die das Bündel von Lichtstrahlen fokussiert ist, und
– eine mit der Detektionseinrichtung verbundene Ansteuer- und Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist zur Bestimmung des Brechungsindex der Probe an der Position, an dem das Bündel von Lichtstrahlen auftrifft, anhand des detektierten Intensitätsprofils, und die zur Verknüpfung der für alle Positionen ermittelten Brechungsindizes zu einem Brechzahlgradienten ausgebildet ist.

Vorzugsweise ist das optisch transparente Medium als Prisma ausgestaltet, durch welches hindurch das Bündel von Lichtstrahlen auf die Oberfläche und durch welches hindurch das reflektierte Licht auf die Detektierungseinrichtung gerichtet ist, wobei zwischen einer Prismenfläche, aus welcher die fokussierten Lichtstrahlen austreten und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche der Probe des Materials andererseits besonders bevorzugt eine Immersionsflüssigkeit vorgesehen ist. Die Immersionsflüssigkeit weist dabei die oben bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Eigenschaften auf.
Die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise auch zur Verknüpfung der für alle Positionen ermittelten Brechzahlen zu einem Homogenitätsverlauf ausgebildet.
Die Lichtquelle ist vorzugsweise als superlumineszente LED (SLED) ausgestaltet, die – in Verbindung mit einem Faser-Anschlussstück (fibre pigtail) – in einem breiten Spektralbereich von beispielsweise 100 nm Licht in Form einer Gaußverteilung emittiert. Aus diesem Spektralbereich wird vorzugsweise der mittlere Bereich mit der höchsten Leistungsdichte ausgewählt. Dabei kann – für die Anordnung und das Verfahren gleichermaßen – vorteilhaft der Wellenlängenbereich variiert werden, beispielsweise durch den Wechsel der zur Lichterzeugung verwendeten LED. Dieser Wechsel erfordert eine Einstellung der fokussierenden Optiken, die automatisch vorgenommen werden kann.
Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ist es außerdem vorteilhaft, bei der ortsauflösenden Detektierungseinrichtung einen Zeilendetektor zu verwenden, beispielsweise eine CCD-Zeile, und das aus dem optisch transparenten Medium austretende Bündel von Lichtstrahlen mittels einer entsprechenden Optik, beispielsweise mit einer Zylinderlinse, auf diesen Zeilendetektor linienförmig zu fokussieren.
Mit diesem Verfahren und der dazu vorgeschlagenen Anordnung können erstmalig Brechzahlen makrooptischer Bauelemente ortsaufgelöst detektiert und ein- bzw. zweidimensionale Gradientenprofile mit deutlich reduziertem Kostenaufwand ermittelt werden.
Damit wird nicht nur für die weitere Entwicklung von neuartigen optischen Bauelementen eine wichtige Voraussetzung geschaffen, sondern auch für deren Markteinführung, Produktion und Qualitätskontrolle.
Des Weiteren erlaubt das neue Verfahren eine Homogenitätsprüfung hinsichtlich Brechzahlkontinuität, welche im Vergleich zu handelsüblichen Verfahren genauer und wesentlich preiswerter ist. Die Messwerterfassung und -verarbeitung kann in Verbindung mit Datenbanksystemen eine Validierung der Brechzahlhomogenitätsverläufe ermöglichen.
Die Anwendbarkeit des Verfahrens für eine Vielfalt von Materialien eröffnet einen breiten Markt in den unterschiedlichsten Branchen, wie z. B. in der optischen Industrie, in der Kunststoffherstellung und -verarbeitung und in der Umformtechnik, hier beispielsweise beim Blankpressen.
Durch definiertes – einachsiges oder zweiachsiges – Verschieben des Messobjektes über dem Prisma kann an jedem Punkt auf der Probenoberfläche die Brechzahl ermittelt werden.
Dadurch ist zum einen die Erfassung von ein- bzw. zweidimensionalen Gradientenprofilen und zum anderen eine Homogenitätsprüfung des Brechungsindex sowohl für Mikro- als auch Makrooptiken möglich.
Im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren wird bei diesem neuen Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex die Reflexion an der Objektoberfläche genutzt; somit ist nur die Bearbeitung der jeweils zu messenden Fläche erforderlich und der Präparationsaufwand gering. Ferner führen strukturelle Fehler im Glasbauteil nicht zum Verfälschen der Messergebnisse.
Wie bereits beschrieben, ist die Höhe der messbaren Brechzahl abhängig vom Brechungsindex des Prismas bzw. der Immersionsflüssigkeit. Dieser muss höher sein als der des zu messenden Glases. Für die Vermessung beispielsweise von GRIN-Elementen, die Brechzahlen von bis zu 1,65 aufweisen, sind daher Prismen und Immersionsflüssigkeiten mit höheren Brechzahlen, beispielsweise 1,7 zu verwenden. Ohne weiteres sind Brechzahlen bis zu 1,8 zu erreichen, für noch höhere Brechzahlen müsste derzeit auf toxische Immersionsflüssigkeiten zurückgegriffen werden, was den Einsatz aufgrund notwendiger Schutzmassnahmen aufwändiger werden lässt.
Dabei wird die Ortsauflösung verbessert, je größer die Differenz zwischen der Brechzahl der Probe und derjenigen der Immersionsflüssigkeit bzw. des Prismas sind. Vorzugsweise sind die Brechungsindizes beider identisch, da dann die Beeinflussung der Strahlen an den Grenzflächen zwischen beiden Medien am geringsten ist.
Die Messgenauigkeit der Brechwerte wird durch die Auflösung des Detektors und die Präzision der Profilerfassung durch die minimale Schrittweite der Verschiebeeinrichtung und den Durchmesser des Lichtstrahls vorgegeben.
Die Auflösung des Verfahrens wird im wesentlichen durch die Schrittweite der Probenverschiebung – beispielsweise in Bereichen von weniger als 1 μm bis zu einigen μm – und zum anderen durch die Auflösung der CCD-Zeile bestimmt. Auch die Größe und Form des Fokuspunktes lässt sich mit entsprechender Optik gestalten, von weniger als 10 μm bis zu etwa 100 μm beispielsweise. Damit besteht verfahrensbedingt die Möglichkeit sowohl niedrig auflösender Messanordnungen (schnell und kostengünstig) bis hin zu sehr hoch auflösenden Systemen zu konzipieren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den konkret angegebenen Merkmalen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen des Erfindungsgedankens zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Dazu zeigt
1 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung, die zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, und
2 eine Abwandlung im Aufbau dieser Anordnung.
Dargestellt in 1 ist eine Probe 1 aus einem Material, für welches ein Brechzahlgradient n_g = f(x, y) zu bestimmen ist. Im vorliegenden Beispiel ist das Material transparent, dies ist aber keine zwingende Voraussetzung, auch teiltransparente oder nichttransparente Materialien lassen sich untersuchen, da das Messverfahren die Reflexion an der Probe ausnutzt. Die Probe 1 weist eine plane Oberfläche 2 auf, der in einem Abstand a die Lichtein- und Lichtaustrittfläche 3 eines Prismas 4 parallel gegenübersteht. Zwischen Probe 1 und Prisma 4 befindet sich eine Immersionsflüssigkeit 14. Das Prisma 4 weist neben dieser Lichtein- und Lichtaustrittfläche 3 weiterhin eine Lichteintrittfläche 5 sowie eine Lichtaustrittsfläche 6 auf. Die Prismenflächen 3, 5 und 6 sind im Rahmen dieser Erfindung sinngemäß nach der Ein- bzw. Austrittsrichtung eines Bündels von Lichtstrahlen 7 benannt, das von einer Lichtquelle 8 ausgehend durch eine Fokussiereinrichtung 9 hindurch nach Durchtritt durch das Prisma 4 auf einen Ort 10 der Oberfläche 2 der Probe 1 trifft. Der Winkel α entspricht in etwa dem Grenzwinkel der Totalreflexion, so dass die Lichtstrahlen 7 sowohl unter Winkeln, die größer als dieser Grenzwinkel sind, als auch unter Winkeln, die kleiner als dieser Grenzwinkel sind, auf die Probe 1 treffen.
Damit die Lichtstrahlen 7 mindestens teilweise totalreflektiert werden können, ist es erforderlich, dass die Brechzahl des Prismas und der Immersionsflüssigkeit größer als die mittlere oder vermutete Brechzahl der Probe ist. Bevorzugt sollten beide Brechzahlen gleich sein oder nahezu identisch, da dann der Strahlengang an der Grenzschicht am wenigsten beeinflusst wird. Beträgt also die erwartete Brechzahl des zu untersuchenden Materials beispielsweise 1,65, so sollte die Brechzahl von Prisma und Immersionsflüssigkeit bei etwa 1,70 gewählt werden. Die Ortsauflösung wird dabei umso besser, je größer die Differenz ist.
Von dem Ort 10 wird das Bündel von Lichtstrahlen 7 aufgrund der Totalreflexion unter einem Winkel β reflektiert. In der Reflexionsrichtung des Lichtes ist eine Detektierungseinrichtung angeordnet, die eine CCD-Zeile 11 aufweist. Dort wird die Intensität der einfallenden Lichtstrahlen detektiert, so dass sich ein Intensitätsprofil ergibt. Die Ausgangssignale der CCD-Zeile 11 liegen über einem Signalweg 12 an einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 13 an, die ausgestattet ist mit einer Rechenfunktion zur Ermittlung der exakten Größe des Winkels β sowie zur Bestimmung des Brechungsindex des Probenmaterials an dem Ort 10. Die Bestimmung des Grenzwinkels erfolgt dabei anhand einer Analyse des Intensitätsprofils. Da sich beim Erreichen des Grenzwinkels der Totalreflexion die Intensität sprunghaft ändert, lässt sich der Grenzwinkel zunächst in Relation zu einem Pixel auf der CCD-Zeile 11 setzen. Anhand der Parameter, die die Anordnung von Lichtquelle, Prisma, Probenoberfläche, und CCD-Zeile in ihren Abmessungen, Abständen und Winkelbeziehungen beschreiben, sowie anhand der Brechzahlen von Prisma und Immersionsflüssigkeit lässt sich die Brechzahl des Materials an dem vermessenen Ort bestimmen. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung auch mittels Vergleichsmessungen unter gleichen Bedingungen, insbesondere was die Dicke und Art der Immersionsflüssigkeit betrifft, an homogenen Gläsern bekannter Brechzahl geeicht werden, so dass jedem Pixel eindeutig eine Brechzahl zugeordnet werden kann.
Als Lichtquelle 8 wird eine SLED mit Anschlussfaserstück verwendet. Diese Anordnung emittiert Licht in einem breitbandigen Wellenlängenbereich beispielsweise zwischen 30 nm und 60 nm. Die Leistungsdichte folgt einer gaußförmigen Verteilung, weshalb bevorzugt ein schmalerer Bereich, beispielsweise zwischen 10 nm und 20 nm um das Maximum dieser Verteilung für die Beleuchtung ausgewählt wird Die Verwendung von SLED gegenüber kohärenten Lichtquellen hat den Vorteil, dass das Auftreten von Speckles auf der CCD-Zeile 11 verhindert werden kann.
Außerdem ist eine Verschiebeinrichtung vorgesehen (in 1 nicht dargestellt), die dazu dient, die Position bzw. den Ort 10 zu variieren, an welcher das Bündel von Lichtstrahlen 7 auf die Oberfläche 2 auftrifft. Die Verschiebung der Probe 1, die auf einem Halter – beispielsweise mittels Fixierung in einer Dreipunkt-Auflage – befestigt ist, kann mittels zweier translatorischer Antriebe erfolgen, die Abtastung erfolgt dann in einem kartesischen Koordinatensystem. Platzsparender kann ein Verschieben mittels eines rotatorischen Antriebs erfolgen, der durch einen fest montierten Linearantrieb angetrieben wird. Die Kombination aus translatorischer und rotatorischer Verschiebung der Probe resultiert dann in einer sternförmigen Messpunktverteilung, die minimale Schrittweite kann beispielsweise bei 5 μm liegen, und bei etwa 80 μm am Probenrand bei sternförmiger Abtastung.
Dabei wird nach jeder Ortsveränderung an dem jeweils neu eingestellten Ort der Brechungsindex bestimmt und diesem Ort zugeordnet. Aus einer Vielzahl solcher Messungen und deren Messergebnissen wird mittels der Ansteuer- und Auswerteschaltung 13 der Brechungsindex der Probe 1 ortsaufgelöst bestimmt und daraus ein Brechzahlhomogenitätsverlauf bzw. ein Brechzahlgradient, auch als Gradientenindex bezeichnet, für das Material, aus dem die Probe 1 besteht, gewonnen und zur weiteren Verfügbarkeit gespeichert.
Um eine gute Verschiebbarkeit einerseits und eine konstante Dicke der Schicht mit der Immersionsflüssigkeit andererseits zu gewährleisten wird während der Messung kontinuierlich für eine Zufuhr von Immersionsflüssigkeit gesorgt, so dass der Flüssigkeitsfilm zwischen Prisma 4 und Oberfläche 2 der Probe 1 nicht abreißen kann. Die Dicke der Schicht mit der Immersionsflüssigkeit hängt u. a. von der Viskosität der Flüssigkeit ab und kann beispielsweise zwischen 10 μm und 100 μm liegen.
In 2 ist eine Abwandlung der in 1 gezeigten Anordnung dargestellt, die eine noch kompaktere Bauweise ermöglicht. Das hier gezeigte Prisma 15 ist parallelogrammförmig aufgebaut, die der Lichteintrittsfläche 5 parallele Seite ist verspiegelt und bildet einen Umlenkspiegel 16. Die Fokussiereinrichtung 9 umfasst hier zwei Linsen, mit denen das – nicht parallele – Bündel von Lichtstrahlen 7 auf die Probe 1 fokussiert wird. Der Zentrumsstrahl – durch eine durchgezogene Linie gekennzeichnet – fällt dabei in einem Winkel, der geringfügig größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, auf die Probe 1, so dass Lichtstrahlen, die unter einem noch größeren Winkel auf die Probe 1 treffen, wie der gepunktet dargestellte Strahl, reflektiert werden, wohingegen Strahlen, die unter einem kleineren Winkel – gemessen bezüglich der Normalen der Probenoberfläche – auf die Probe 1 treffen, durch die Probe hindurchtreten, wie es bei dem strichpunktiert dargestellten Strahl der Fall ist.
Zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses kann über der CCD-Zeile 11 eine Zylinderlinse eingebaut werden, die das auftreffende Licht linienförmig fokussiert. Die CCD-Zeile 11 wird dabei so in Relation zu der Lichtaustrittsfläche 6 positioniert, dass das dem Übergang im Intensitätsprofil entsprechende Hell-Dunkel-Feld über den gesamten möglichen Brechzahlbereich bestmöglich genutzt wird: Da der Brechungsindex grundsätzlich nichtlinear von der Position dieses Hell-Dunkel-Übergangs abhängt, jedoch in einem großen Bereich annähernd linear verläuft, kann durch entsprechende Positionierung der CCD-Zeile, 11 was den Winkel zur Lichtaustrittsfläche 6 betrifft, der lineare Bereich vergrößert werden, was die Auswertung genauer werden lässt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung dazu ermöglichen die ortsaufgelöste Bestimmung von Brechzahlen in GRIN-Bauelementen. Ein- und zweidimensionale Brechzahlprofile werden unabhängig von der räumlichen Ausdehnung der Gradienten bzw. der optischen Bauelemente erfaßt. Dadurch ist insbesondere auch die ortsaufgelöste Analyse sowohl in Mikrooptiken, in mittleren Bauteilgeometrien bis hin zu sehr großen Bauteilabmessungen möglich. Dies ist mit dem Stand der Technik bisher nicht möglich.
Das Gerät lässt sich außerdem sehr kompakt gestalten, so dass es als handgeführtes, mobiles Gerät ausgebildet werden kann. Damit ist es dann auch möglich, an großen Glasbauteilen, beispielsweise an Floatglasplatten, die Brechzahl direkt zu bestimmen. Dazu wird das Gerät auf die Glasplatte aufgesetzt, wobei zwischen Glasplatte und optisch transparentem Medium eine Immersionsflüssigkeit oder ein anderes Medium mit gleicher Wirkung aufgetragen wird. Dies kann vorab erfolgen, aber auch durch eine entsprechende, im Gerät integrierte Zufuhreinrichtung. Variierende Abstände zwischen dem zu untersuchenden Objekt und dem optisch transparenten Medium, d. h. insbesondere variierende Schichtdicken des Immersionsmediums, lassen sich durch eine auch automatisch durchführbare Neufokussierung der Fokussiereinrichtung und rechnerisch in der Auswerteschaltung berücksichtigen.
Darüber hinaus wird erstmalig die Vermessung von optischen Bauteilen realisierbar, welche Brechungsindexgradienten in aus drei Raumrichtungen aufweisen. Somit besteht auch die Möglichkeit, neue optische monolithische Funktionsbauteile im optical design zu entwickeln, die messtechnisch nach der Herstellung auch bewertet werden können.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Bestimmung der Brechzahlwerte einzig und allein durch Reflexion an der Objektoberfläche. Dies erfordert im Gegensatz zu den meisten bisherigen Verfahren nur die Bearbeitung einer Messfläche. Dadurch führt das Verfahren zu einer deutlichen Reduzierung des Zeitaufwands für den Messprozess und der Probenpräparation sowie der Kosten für die Probenpräparation. Entscheidend ist aber auch, dass an beliebig geformten optischen Bauelementen und Konturen, bis hin zu den in den nächsten Jahren verstärkt eingesetzt werdenden asphärischen Bauelementen und Freiformflächen, am fertig bearbeiteten Bauelement gemessen werden kann. Bekannte interferometrische Messverfahren erfordern hingegen für jede asphärische Form ein individuelles CGH (computer-generiertes Hologramm), was zusätzliche Herstellungskosten zwischen 4.000–10.000 € erfordert.
Die Kostengünstigkeit ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bisher bekannten Lösungen.
Aus der Einfachheit des Wirkprinzips und der Minimierung der zur Realisierung notwendigen Komponenten resultiert ein wenig störanfälliges und sehr preiswertes Verfahren, das sich auch erstmalig für optische Bauelemente im Niedrigkosten-Bereich anwenden lässt. Somit kann das Verfahren die Realisierung eines breiten Spektrums von Messaufgaben, unterschiedlichster Bauteilsortimente der jeweiligen Hersteller, in Abhängigkeit von der Auslegung der Gerätekonfiguration ermöglichen. Die Auflösung begrenzenden Parameter des neuen Wirkprinzips gestatten eine modulare Anwendung des Verfahrens. Ableitbare Gerätelösungen lassen dann eine Modifizierung entsprechend der gewählten Messaufgabe und -anwender problemlos zu.
Das neue Verfahren erlaubt neben der Bestimmung von Gradientenprofilen auch eine Homogenitätsprüfung hinsichtlich Brechzahlkontinuität, die im Vergleich zu handelsüblichen Verfahren genauer und kosteneffizienter ist. Es ist in sehr unterschiedlichen Fachgebieten einsetzbar, insbesondere in den Bereichen Herstellung optischer Werkstoffe, Herstellung optischer Komponenten, Fasertechnologie, Optoelektronik/Sensorik. Prinzipiell erlaubt das Verfahren die Anwendung sowohl für mineralische Gläser als auch für andere Materialien, wie z. B. Kunststoffe, Kristallwerkstoffe und auch Flüssigkeiten.
Der Anwender wird in die Lage versetzt, Brechzahlverläufe ortsaufgelöst in optischen Komponenten mit einem vergleichsweise niedrigen Investitionsaufwand bestimmen zu können. Darüber hinaus kann das neue Verfahren auch für die Qualitätssicherung unterschiedlichster Bauteilsortimente der o. g. Bereiche fertigungsnah eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Probe
2: Oberfläche
3: Lichtein- und Lichtaustrittfläche
4: Prisma
5: Lichteintrittfläche
6: Lichtaustrittsfläche
7: Lichtstrahl
8: Laserquelle
9: Fokussiereinrichtung
10: Ort
11: CCD-Zeile
12: Signalweg
13: Ansteuer- und Auswerteschaltung
14: Immersionsflüssigkeit
15: Prisma
16: Umlenkspiegel
a: Abstand
α, β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007057376 A [0004]
JP 2005331481 A [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Brechzahlgradienten einer Probe (1) eines Materials an dessen Oberfläche (2), bei dem a) ein Bündel von Lichtstrahlen (7) fokussiert und durch ein optisch transparentes Medium, welches eine höhere Brechzahl als das Material der Probe aufweist, hindurch auf eine Position an der Oberfläche (2) der Probe (1) fokussiert wird, wobei ein Einfallswinkelbereich der fokussierten Lichtstrahlen (7) den Grenzwinkel der Totalreflexion enthält, b) reflektierte Lichtstrahlen in einem Ausfallswinkelbereich nach Durchtritt durch das optisch transparente Medium ortsaufgelöst als Intensitätsprofil detektiert werden, c) anhand des Intensitätsprofils der Brechungsindex des Materials an der Position der Oberfläche (2) ermittelt wird, d) die Schritte a)–d) für weitere Positionen auf der Oberfläche (2) der Probe (1) wiederholt werden, und e) anhand der für die einzelnen Positionen bestimmten Brechungsindizes der Brechzahlgradient bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als optisch transparentes Medium ein Prisma (4, 15) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zwischen einer Prismenfläche, aus welcher die fokussierten Lichtstrahlen austreten und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche (2) der Probe (1) andererseits eine Immersionsflüssigkeit (14) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem während der Variation der Positionen, an denen das Bündel von Lichtstrahlen (7) auf die Oberfläche (2) gerichtet wird, der Abstand zwischen der Prismenfläche, aus welcher die fokussierten Lichtstrahlen (7) austreten und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche (2) der Probe (1) andererseits durch kontinuierliche Zufuhr von Immersionsflüssigkeit (14) konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das reflektierte Licht nach Austritt aus dem optisch transparenten Medium linienförmig auf einen Zeilendetektor fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem für die Lichtstrahlen (7) Licht einer superlumineszenten LED verwendet wird.
Anordnung zur Bestimmung von Brechzahlgradienten einer Probe (1) eines Materials, umfassend: – eine Lichtquelle (8), – ein optisch transparentes Medium, welches eine höhere Brechzahl als das Material der Probe (1) aufweist und zwischen Lichtquelle (8) und Probe (1) angeordnet ist, – eine optische Einrichtung (9) zur Fokussierung eines von der Lichtquelle (8) ausgehenden Bündels von Lichtstrahlen (7) durch das optisch transparente Medium hindurch auf eine Position (10) an der Oberfläche (2) der Probe (1), wobei ein Einfallswinkelbereich der fokussierten Lichtstrahlen (7) den Grenzwinkel der Totalreflexion enthält, – eine ortsauflösende Detektierungseinrichtung für die Detektierung des von dieser Position (10) der Oberfläche in einem Ausfallswinkelbereich totalreflektierten Lichts als Intensitätsprofil, – eine Einrichtung zur Variation der Position, auf die das Bündel von Lichtstrahlen (7) fokussiert ist, und – eine mit der Detektierungseinrichtung verbundene Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (13), die ausgebildet ist zur Bestimmung des Brechungsindex der Probe (1) an der Position (10), an dem das Bündel von Lichtstrahlen auftrifft, anhand des detektierten Intensitätsprofils, und die zur Verknüpfung der für alle Positionen ermittelten Brechungsindizes zu einem Brechzahlgradienten ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 7, bei der das optisch transparente Medium als Prisma (4, 15) ausgestaltet ist, wobei zwischen einer Prismenfläche, aus welcher die fokussierten Lichtstrahlen (7) austreten und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche (2) der Probe (1) andererseits eine Immersionsflüssigkeit (14) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8) als superluminszente LED ausgestaltet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektierungseinrichtung einen Zeilendetektor (11) und Mittel zur linienförmigen Fokussierung des Bündels von Lichtstrahlen (7) auf diesen umfasst.